[ORC] Add std::tuple support to SimplePackedSerialization.
[llvm-project.git] / llvm / docs / HowToUpdateDebugInfo.rst
blob694ffbb8aef99bebd0ca74603b76aa7b9188467f
1 =======================================================
2 How to Update Debug Info: A Guide for LLVM Pass Authors
3 =======================================================
5 .. contents::
6    :local:
8 Introduction
9 ============
11 Certain kinds of code transformations can inadvertently result in a loss of
12 debug info, or worse, make debug info misrepresent the state of a program.
14 This document specifies how to correctly update debug info in various kinds of
15 code transformations, and offers suggestions for how to create targeted debug
16 info tests for arbitrary transformations.
18 For more on the philosophy behind LLVM debugging information, see
19 :doc:`SourceLevelDebugging`.
21 Rules for updating debug locations
22 ==================================
24 .. _WhenToPreserveLocation:
26 When to preserve an instruction location
27 ----------------------------------------
29 A transformation should preserve the debug location of an instruction if the
30 instruction either remains in its basic block, or if its basic block is folded
31 into a predecessor that branches unconditionally. The APIs to use are
32 ``IRBuilder``, or ``Instruction::setDebugLoc``.
34 The purpose of this rule is to ensure that common block-local optimizations
35 preserve the ability to set breakpoints on source locations corresponding to
36 the instructions they touch. Debugging, crash logs, and SamplePGO accuracy
37 would be severely impacted if that ability were lost.
39 Examples of transformations that should follow this rule include:
41 * Instruction scheduling. Block-local instruction reordering should not drop
42   source locations, even though this may lead to jumpy single-stepping
43   behavior.
45 * Simple jump threading. For example, if block ``B1`` unconditionally jumps to
46   ``B2``, *and* is its unique predecessor, instructions from ``B2`` can be
47   hoisted into ``B1``. Source locations from ``B2`` should be preserved.
49 * Peephole optimizations that replace or expand an instruction, like ``(add X
50   X) => (shl X 1)``. The location of the ``shl`` instruction should be the same
51   as the location of the ``add`` instruction.
53 * Tail duplication. For example, if blocks ``B1`` and ``B2`` both
54   unconditionally branch to ``B3`` and ``B3`` can be folded into its
55   predecessors, source locations from ``B3`` should be preserved.
57 Examples of transformations for which this rule *does not* apply include:
59 * LICM. E.g., if an instruction is moved from the loop body to the preheader,
60   the rule for :ref:`dropping locations<WhenToDropLocation>` applies.
62 In addition to the rule above, a transformation should also preserve the debug
63 location of an instruction that is moved between basic blocks, if the
64 destination block already contains an instruction with an identical debug
65 location.
67 Examples of transformations that should follow this rule include:
69 * Moving instructions between basic blocks. For example, if instruction ``I1``
70   in ``BB1`` is moved before ``I2`` in ``BB2``, the source location of ``I1``
71   can be preserved if it has the same source location as ``I2``.
73 .. _WhenToMergeLocation:
75 When to merge instruction locations
76 -----------------------------------
78 A transformation should merge instruction locations if it replaces multiple
79 instructions with a single merged instruction, *and* that merged instruction
80 does not correspond to any of the original instructions' locations. The API to
81 use is ``Instruction::applyMergedLocation``.
83 The purpose of this rule is to ensure that a) the single merged instruction
84 has a location with an accurate scope attached, and b) to prevent misleading
85 single-stepping (or breakpoint) behavior. Often, merged instructions are memory
86 accesses which can trap: having an accurate scope attached greatly assists in
87 crash triage by identifying the (possibly inlined) function where the bad
88 memory access occurred. This rule is also meant to assist SamplePGO by banning
89 scenarios in which a sample of a block containing a merged instruction is
90 misattributed to a block containing one of the instructions-to-be-merged.
92 Examples of transformations that should follow this rule include:
94 * Merging identical loads/stores which occur on both sides of a CFG diamond
95   (see the ``MergedLoadStoreMotion`` pass).
97 * Merging identical loop-invariant stores (see the LICM utility
98   ``llvm::promoteLoopAccessesToScalars``).
100 * Peephole optimizations which combine multiple instructions together, like
101   ``(add (mul A B) C) => llvm.fma.f32(A, B, C)``.  Note that the location of
102   the ``fma`` does not exactly correspond to the locations of either the
103   ``mul`` or the ``add`` instructions.
105 Examples of transformations for which this rule *does not* apply include:
107 * Block-local peepholes which delete redundant instructions, like
108   ``(sext (zext i8 %x to i16) to i32) => (zext i8 %x to i32)``. The inner
109   ``zext`` is modified but remains in its block, so the rule for
110   :ref:`preserving locations<WhenToPreserveLocation>` should apply.
112 * Converting an if-then-else CFG diamond into a ``select``. Preserving the
113   debug locations of speculated instructions can make it seem like a condition
114   is true when it's not (or vice versa), which leads to a confusing
115   single-stepping experience. The rule for
116   :ref:`dropping locations<WhenToDropLocation>` should apply here.
118 * Hoisting identical instructions which appear in several successor blocks into
119   a predecessor block (see ``BranchFolder::HoistCommonCodeInSuccs``). In this
120   case there is no single merged instruction. The rule for
121   :ref:`dropping locations<WhenToDropLocation>` applies.
123 .. _WhenToDropLocation:
125 When to drop an instruction location
126 ------------------------------------
128 A transformation should drop debug locations if the rules for
129 :ref:`preserving<WhenToPreserveLocation>` and
130 :ref:`merging<WhenToMergeLocation>` debug locations do not apply. The API to
131 use is ``Instruction::dropLocation()``.
133 The purpose of this rule is to prevent erratic or misleading single-stepping
134 behavior in situations in which an instruction has no clear, unambiguous
135 relationship to a source location.
137 To handle an instruction without a location, the DWARF generator
138 defaults to allowing the last-set location after a label to cascade forward, or
139 to setting a line 0 location with viable scope information if no previous
140 location is available.
142 See the discussion in the section about
143 :ref:`merging locations<WhenToMergeLocation>` for examples of when the rule for
144 dropping locations applies.
146 Rules for updating debug values
147 ===============================
149 Deleting an IR-level Instruction
150 --------------------------------
152 When an ``Instruction`` is deleted, its debug uses change to ``undef``. This is
153 a loss of debug info: the value of one or more source variables becomes
154 unavailable, starting with the ``llvm.dbg.value(undef, ...)``. When there is no
155 way to reconstitute the value of the lost instruction, this is the best
156 possible outcome. However, it's often possible to do better:
158 * If the dying instruction can be RAUW'd, do so. The
159   ``Value::replaceAllUsesWith`` API transparently updates debug uses of the
160   dying instruction to point to the replacement value.
162 * If the dying instruction cannot be RAUW'd, call ``llvm::salvageDebugInfo`` on
163   it. This makes a best-effort attempt to rewrite debug uses of the dying
164   instruction by describing its effect as a ``DIExpression``.
166 * If one of the **operands** of a dying instruction would become trivially
167   dead, use ``llvm::replaceAllDbgUsesWith`` to rewrite the debug uses of that
168   operand. Consider the following example function:
170 .. code-block:: llvm
172   define i16 @foo(i16 %a) {
173     %b = sext i16 %a to i32
174     %c = and i32 %b, 15
175     call void @llvm.dbg.value(metadata i32 %c, ...)
176     %d = trunc i32 %c to i16
177     ret i16 %d
178   }
180 Now, here's what happens after the unnecessary truncation instruction ``%d`` is
181 replaced with a simplified instruction:
183 .. code-block:: llvm
185   define i16 @foo(i16 %a) {
186     call void @llvm.dbg.value(metadata i32 undef, ...)
187     %simplified = and i16 %a, 15
188     ret i16 %simplified
189   }
191 Note that after deleting ``%d``, all uses of its operand ``%c`` become
192 trivially dead. The debug use which used to point to ``%c`` is now ``undef``,
193 and debug info is needlessly lost.
195 To solve this problem, do:
197 .. code-block:: cpp
199   llvm::replaceAllDbgUsesWith(%c, theSimplifiedAndInstruction, ...)
201 This results in better debug info because the debug use of ``%c`` is preserved:
203 .. code-block:: llvm
205   define i16 @foo(i16 %a) {
206     %simplified = and i16 %a, 15
207     call void @llvm.dbg.value(metadata i16 %simplified, ...)
208     ret i16 %simplified
209   }
211 You may have noticed that ``%simplified`` is narrower than ``%c``: this is not
212 a problem, because ``llvm::replaceAllDbgUsesWith`` takes care of inserting the
213 necessary conversion operations into the DIExpressions of updated debug uses.
215 Deleting a MIR-level MachineInstr
216 ---------------------------------
218 TODO
220 How to automatically convert tests into debug info tests
221 ========================================================
223 .. _IRDebugify:
225 Mutation testing for IR-level transformations
226 ---------------------------------------------
228 An IR test case for a transformation can, in many cases, be automatically
229 mutated to test debug info handling within that transformation. This is a
230 simple way to test for proper debug info handling.
232 The ``debugify`` utility pass
233 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
235 The ``debugify`` testing utility is just a pair of passes: ``debugify`` and
236 ``check-debugify``.
238 The first applies synthetic debug information to every instruction of the
239 module, and the second checks that this DI is still available after an
240 optimization has occurred, reporting any errors/warnings while doing so.
242 The instructions are assigned sequentially increasing line locations, and are
243 immediately used by debug value intrinsics everywhere possible.
245 For example, here is a module before:
247 .. code-block:: llvm
249    define void @f(i32* %x) {
250    entry:
251      %x.addr = alloca i32*, align 8
252      store i32* %x, i32** %x.addr, align 8
253      %0 = load i32*, i32** %x.addr, align 8
254      store i32 10, i32* %0, align 4
255      ret void
256    }
258 and after running ``opt -debugify``:
260 .. code-block:: llvm
262    define void @f(i32* %x) !dbg !6 {
263    entry:
264      %x.addr = alloca i32*, align 8, !dbg !12
265      call void @llvm.dbg.value(metadata i32** %x.addr, metadata !9, metadata !DIExpression()), !dbg !12
266      store i32* %x, i32** %x.addr, align 8, !dbg !13
267      %0 = load i32*, i32** %x.addr, align 8, !dbg !14
268      call void @llvm.dbg.value(metadata i32* %0, metadata !11, metadata !DIExpression()), !dbg !14
269      store i32 10, i32* %0, align 4, !dbg !15
270      ret void, !dbg !16
271    }
273    !llvm.dbg.cu = !{!0}
274    !llvm.debugify = !{!3, !4}
275    !llvm.module.flags = !{!5}
277    !0 = distinct !DICompileUnit(language: DW_LANG_C, file: !1, producer: "debugify", isOptimized: true, runtimeVersion: 0, emissionKind: FullDebug, enums: !2)
278    !1 = !DIFile(filename: "debugify-sample.ll", directory: "/")
279    !2 = !{}
280    !3 = !{i32 5}
281    !4 = !{i32 2}
282    !5 = !{i32 2, !"Debug Info Version", i32 3}
283    !6 = distinct !DISubprogram(name: "f", linkageName: "f", scope: null, file: !1, line: 1, type: !7, isLocal: false, isDefinition: true, scopeLine: 1, isOptimized: true, unit: !0, retainedNodes: !8)
284    !7 = !DISubroutineType(types: !2)
285    !8 = !{!9, !11}
286    !9 = !DILocalVariable(name: "1", scope: !6, file: !1, line: 1, type: !10)
287    !10 = !DIBasicType(name: "ty64", size: 64, encoding: DW_ATE_unsigned)
288    !11 = !DILocalVariable(name: "2", scope: !6, file: !1, line: 3, type: !10)
289    !12 = !DILocation(line: 1, column: 1, scope: !6)
290    !13 = !DILocation(line: 2, column: 1, scope: !6)
291    !14 = !DILocation(line: 3, column: 1, scope: !6)
292    !15 = !DILocation(line: 4, column: 1, scope: !6)
293    !16 = !DILocation(line: 5, column: 1, scope: !6)
295 Using ``debugify``
296 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
298 A simple way to use ``debugify`` is as follows:
300 .. code-block:: bash
302   $ opt -debugify -pass-to-test -check-debugify sample.ll
304 This will inject synthetic DI to ``sample.ll`` run the ``pass-to-test`` and
305 then check for missing DI. The ``-check-debugify`` step can of course be
306 omitted in favor of more customizable FileCheck directives.
308 Some other ways to run debugify are available:
310 .. code-block:: bash
312    # Same as the above example.
313    $ opt -enable-debugify -pass-to-test sample.ll
315    # Suppresses verbose debugify output.
316    $ opt -enable-debugify -debugify-quiet -pass-to-test sample.ll
318    # Prepend -debugify before and append -check-debugify -strip after
319    # each pass on the pipeline (similar to -verify-each).
320    $ opt -debugify-each -O2 sample.ll
322 In order for ``check-debugify`` to work, the DI must be coming from
323 ``debugify``. Thus, modules with existing DI will be skipped.
325 ``debugify`` can be used to test a backend, e.g:
327 .. code-block:: bash
329    $ opt -debugify < sample.ll | llc -o -
331 There is also a MIR-level debugify pass that can be run before each backend
332 pass, see:
333 :ref:`Mutation testing for MIR-level transformations<MIRDebugify>`.
335 ``debugify`` in regression tests
336 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
338 The output of the ``debugify`` pass must be stable enough to use in regression
339 tests. Changes to this pass are not allowed to break existing tests.
341 .. note::
343    Regression tests must be robust. Avoid hardcoding line/variable numbers in
344    check lines. In cases where this can't be avoided (say, if a test wouldn't
345    be precise enough), moving the test to its own file is preferred.
347 .. _MIRDebugify:
349 Test original debug info preservation in optimizations
350 ------------------------------------------------------
352 In addition to automatically generating debug info, the checks provided by
353 the ``debugify`` utility pass can also be used to test the preservation of
354 pre-existing debug info metadata. It could be run as follows:
356 .. code-block:: bash
358   # Run the pass by checking original Debug Info preservation.
359   $ opt -verify-debuginfo-preserve -pass-to-test sample.ll
361   # Check the preservation of original Debug Info after each pass.
362   $ opt -verify-each-debuginfo-preserve -O2 sample.ll
364 Furthermore, there is a way to export the issues that have been found into
365 a JSON file as follows:
367 .. code-block:: bash
369   $ opt -verify-debuginfo-preserve -verify-di-preserve-export=sample.json -pass-to-test sample.ll
371 and then use the ``llvm/utils/llvm-original-di-preservation.py`` script
372 to generate an HTML page with the issues reported in a more human readable form
373 as follows:
375 .. code-block:: bash
377   $ llvm-original-di-preservation.py sample.json sample.html
379 Testing of original debug info preservation can be invoked from front-end level
380 as follows:
382 .. code-block:: bash
384   # Test each pass.
385   $ clang -Xclang -fverify-debuginfo-preserve -g -O2 sample.c
387   # Test each pass and export the issues report into the JSON file.
388   $ clang -Xclang -fverify-debuginfo-preserve -Xclang -fverify-debuginfo-preserve-export=sample.json -g -O2 sample.c
390 Please do note that there are some known false positives, for source locations
391 and debug intrinsic checking, so that will be addressed as a future work.
393 Mutation testing for MIR-level transformations
394 ----------------------------------------------
396 A variant of the ``debugify`` utility described in
397 :ref:`Mutation testing for IR-level transformations<IRDebugify>` can be used
398 for MIR-level transformations as well: much like the IR-level pass,
399 ``mir-debugify`` inserts sequentially increasing line locations to each
400 ``MachineInstr`` in a ``Module``. And the MIR-level ``mir-check-debugify`` is
401 similar to IR-level ``check-debugify`` pass.
403 For example, here is a snippet before:
405 .. code-block:: llvm
407   name:            test
408   body:             |
409     bb.1 (%ir-block.0):
410       %0:_(s32) = IMPLICIT_DEF
411       %1:_(s32) = IMPLICIT_DEF
412       %2:_(s32) = G_CONSTANT i32 2
413       %3:_(s32) = G_ADD %0, %2
414       %4:_(s32) = G_SUB %3, %1
416 and after running ``llc -run-pass=mir-debugify``:
418 .. code-block:: llvm
420   name:            test
421   body:             |
422     bb.0 (%ir-block.0):
423       %0:_(s32) = IMPLICIT_DEF debug-location !12
424       DBG_VALUE %0(s32), $noreg, !9, !DIExpression(), debug-location !12
425       %1:_(s32) = IMPLICIT_DEF debug-location !13
426       DBG_VALUE %1(s32), $noreg, !11, !DIExpression(), debug-location !13
427       %2:_(s32) = G_CONSTANT i32 2, debug-location !14
428       DBG_VALUE %2(s32), $noreg, !9, !DIExpression(), debug-location !14
429       %3:_(s32) = G_ADD %0, %2, debug-location !DILocation(line: 4, column: 1, scope: !6)
430       DBG_VALUE %3(s32), $noreg, !9, !DIExpression(), debug-location !DILocation(line: 4, column: 1, scope: !6)
431       %4:_(s32) = G_SUB %3, %1, debug-location !DILocation(line: 5, column: 1, scope: !6)
432       DBG_VALUE %4(s32), $noreg, !9, !DIExpression(), debug-location !DILocation(line: 5, column: 1, scope: !6)
434 By default, ``mir-debugify`` inserts ``DBG_VALUE`` instructions **everywhere**
435 it is legal to do so.  In particular, every (non-PHI) machine instruction that
436 defines a register must be followed by a ``DBG_VALUE`` use of that def.  If
437 an instruction does not define a register, but can be followed by a debug inst,
438 MIRDebugify inserts a ``DBG_VALUE`` that references a constant.  Insertion of
439 ``DBG_VALUE``'s can be disabled by setting ``-debugify-level=locations``.
441 To run MIRDebugify once, simply insert ``mir-debugify`` into your ``llc``
442 invocation, like:
444 .. code-block:: bash
446   # Before some other pass.
447   $ llc -run-pass=mir-debugify,other-pass ...
449   # After some other pass.
450   $ llc -run-pass=other-pass,mir-debugify ...
452 To run MIRDebugify before each pass in a pipeline, use
453 ``-debugify-and-strip-all-safe``. This can be combined with ``-start-before``
454 and ``-start-after``. For example:
456 .. code-block:: bash
458   $ llc -debugify-and-strip-all-safe -run-pass=... <other llc args>
459   $ llc -debugify-and-strip-all-safe -O1 <other llc args>
461 If you want to check it after each pass in a pipeline, use
462 ``-debugify-check-and-strip-all-safe``. This can also be combined with
463 ``-start-before`` and ``-start-after``. For example:
465 .. code-block:: bash
467   $ llc -debugify-check-and-strip-all-safe -run-pass=... <other llc args>
468   $ llc -debugify-check-and-strip-all-safe -O1 <other llc args>
470 To check all debug info from a test, use ``mir-check-debugify``, like:
472 .. code-block:: bash
474   $ llc -run-pass=mir-debugify,other-pass,mir-check-debugify
476 To strip out all debug info from a test, use ``mir-strip-debug``, like:
478 .. code-block:: bash
480   $ llc -run-pass=mir-debugify,other-pass,mir-strip-debug
482 It can be useful to combine ``mir-debugify``, ``mir-check-debugify`` and/or
483 ``mir-strip-debug`` to identify backend transformations which break in
484 the presence of debug info. For example, to run the AArch64 backend tests
485 with all normal passes "sandwiched" in between MIRDebugify and
486 MIRStripDebugify mutation passes, run:
488 .. code-block:: bash
490   $ llvm-lit test/CodeGen/AArch64 -Dllc="llc -debugify-and-strip-all-safe"
492 Using LostDebugLocObserver
493 --------------------------
495 TODO